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Evidence for anionic redox activity in a tridimensional-ordered Li-rich positive electrode β-Li2IrO3

Authors :
Artem M. Abakumov
Dominique Foix
Arnaud J. Perez
Gustaaf Van Tendeloo
Marie-Liesse Doublet
Paul E. Pearce
Jean-Marie Tarascon
Dmitry Batuk
Mathieu Saubanère
Gwenaëlle Rousse
Eric McCalla
Chimie du solide et de l'énergie (CSE)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)
Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E)
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)
Institut Charles Gerhardt Montpellier - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux de Montpellier (ICGM ICMMM)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Université Montpellier 1 (UM1)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
University of Antwerp (UA)
Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux (IPREM)
Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
University of Minnesota [Twin Cities] (UMN)
University of Minnesota System
Skolkovo Institute of Science and Technology [Moscow] (Skoltech)
Chaire Chimie du solide et énergie
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)
Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Institut Charles Gerhardt Montpellier - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux de Montpellier (ICGM)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Collège de France - Chaire Chimie du solide et énergie
Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)
EMAT University of Antwerp - Groenenborgerlaan 171, B-2020 Antwerp, Belgique
Source :
Nature Materials, Nature Materials, Nature Publishing Group, 2017, 16 (5), pp.580-586. ⟨10.1038/nmat4864⟩, Nature Materials, 2017, 16 (5), pp.580-586. ⟨10.1038/nmat4864⟩, Nature Materials, Nature Publishing Group, 2017, 16, pp.580-586. ⟨10.1038/nmat4864⟩, Nature materials
Publication Year :
2017

Abstract

International audience; Lithium-ion battery cathode materials have relied on cationic redox reactions until the recent discovery of anionic redox activity in Li-rich layered compounds which enables capacities as high as 300 mAh g-1. In the quest for new high-capacity electrodes with anionic redox, a still unanswered question was remaining regarding the importance of the structural dimensionality. The present manuscript provides an answer. We herein report on a β-Li2IrO3 phase which, in spite of having the Ir arranged in a tridimensional (3D) framework instead of the typical two-dimensional (2D) layers seen in other Li-rich oxides, can reversibly exchange 2.5 e- per Ir, the highest value ever reported for any insertion reaction involving d-metals. We show that such a large activity results from joint reversible cationic (Mn+) and anionic (O2)n- redox processes, the latter being visualized via complementary transmission electron microscopy and neutron diffraction experiments, and confirmed by density functional theory calculations. Moreover, β-Li2IrO3 presents a good cycling behaviour while showing neither cationic migration nor shearing of atomic layers as seen in 2D-layered Li-rich materials. Remarkably, the anionic redox process occurs jointly with the oxidation of Ir4+ at potentials as low as 3.4 V versus Li+/Li0, as equivalently observed in the layered α-Li2IrO3 polymorph. Theoretical calculations elucidate the electrochemical similarities and differences of the 3D versus 2D polymorphs in terms of structural, electronic and mechanical descriptors. Our findings free the structural dimensionality constraint and broaden the possibilities in designing high-energy-density electrodes for the next generation of Li-ion batteries.

Details

ISSN :
14761122 and 14764660
Database :
OpenAIRE
Journal :
Nature Materials
Accession number :
edsair.doi.dedup.....f04b224291015b821ccfaf573fb8c56f
Full Text :
https://doi.org/10.1038/nmat4864